專利名稱：：采用含纖維素原料制備單糖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是關(guān)于糖的制備方法，更具體地是關(guān)于采用含纖維素原料制備單糖的方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有技術(shù)的由含纖維素原料，如秸稈制備乙醇用單糖的方法主要包括秸稈的預處理，以及酶解纖維素和/或半纖維素制備單糖的步驟?，F(xiàn)有的由含纖維素原料，如秸稈制備乙醇的方法除了包括上述步驟之外，還包括發(fā)酵酶解產(chǎn)物單糖的歩驟。含纖維素的原料一般為植物的根、莖和葉，包括秸稈。所述秸稈即農(nóng)作物(一般為草本植物)收獲果實后留下的根、莖和葉，主要為莖和葉，如玉米秸稈、高梁秸稈、谷類植物的秸稈、麥秸。秸稈的主要成分是木質(zhì)纖維素。所述木質(zhì)纖維素是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的混合物。秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素通過共價鍵或非共價鍵緊密結(jié)合而成的木質(zhì)纖維，約占秸桿總重量的70-90%。秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量會隨不同來源的農(nóng)作物或農(nóng)作物的不同部分而有所區(qū)別。纖維素被纖維素酶水解的反應通常稱為酶解反應，又可以稱為糖化反應，酶解的主要產(chǎn)物是單糖。纖維素在纖維素酶的作用下能夠轉(zhuǎn)化成葡萄糖，半纖維素在半纖維素酶的作用下能夠轉(zhuǎn)化成木糖等單糖，葡萄糖和木糖都可以用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，比如釀酒酵母可以發(fā)酵葡萄糖制備乙醇，樹干畢赤酵母可以發(fā)酵木糖制備乙醇。纖維素的非結(jié)晶結(jié)構(gòu)是很容易被打破的，它可以完全降解成葡萄糖，然后由葡萄糖發(fā)酵成乙醇。但是，纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)難以被破壞。另外，木質(zhì)素是由苯基丙烷聚合而成的一種非多糖物質(zhì)，由芳香烴的衍生物以-C-C-鍵、-O-鍵縱橫交聯(lián)在一起，其側(cè)鏈又與半纖維素以共價鍵結(jié)合，形成一個十分致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將纖維素緊緊包裹在里面，不利于纖維素酶對纖維素的進攻，使得纖維素酶和半纖維素酶無法接觸底物，因此，需要先對秸稈進行預處理，如對秸稈進行蒸汽爆破或者酸處理后再與纖維素酶和/或半纖維素酶接觸，對纖維素和/或半纖維素進行酶解。CN1629321A公開了一種利用秸稈植物提取制乙醇用葡萄糖和/或木糖的方法，該方法包括在室溫下，按照秸稈植物稀酸溶液的重量比為1:4.5-8.5的比例將秸稈與稀酸溶液混合，然后升溫到90-10(TC恒溫，快速水解秸稈中的半纖維素提取糖溶液，糖溶液發(fā)酵制備乙醇。該方法還包括在所述糖溶液中進一步加入纖維素酶水解糖溶液中未溶的纖維素，所述纖維素酶的加入量與秸稈的重量比為1:10-1:100，調(diào)pH值在4.5-5.5，然后升溫到45-60°C，得到含有葡萄糖和木糖的水溶液，發(fā)酵制備乙醇。CN1117835C公開了一種乙醇溶解汽爆秸稈木質(zhì)素制備液體燃料的方法，該方法以汽爆秸稈為原料，在髙壓反應釜中，用乙醇萃取汽爆秸稈中的木質(zhì)素；再用真空抽濾得到濾液，并將汽爆秸稈萃取渣進行同步糖化固態(tài)發(fā)酵乙醇，乙醇萃取液及真空抽濾所得濾液即為該方法制備的液體燃料。所述汽爆秸稈原料的制備方法包括將切碎的麥草、稻草或玉米桿等植物原料裝入汽爆罐，在1.2-1.7兆帕壓力下，維持壓力5-10分鐘，之后，瞬間減壓釋放。所述的乙醇萃取汽爆秸稈中的木質(zhì)素的方法為在高壓反應釜中，加入汽爆秸稈和乙醇，汽爆秸稈和乙醇的體積比為1:10-1:50，在1.5-2.0兆帕的壓力范圍內(nèi)保持l-2小時。所述的將汽爆秸稈萃取渣進行同步糖化固態(tài)發(fā)酵乙醇是指在33-35。C范圍內(nèi)(發(fā)酵)，維持14-16小時，在38-40。C范圍內(nèi)(酶解)，維持68小時，并交替進行發(fā)酵2-3天。CN1193099C公開了--種使用耐熱型酵母從木素纖維素生物質(zhì)中生產(chǎn)乙醇的方法，該方法包括以下步驟將木素纖維素生物質(zhì)粉碎成顆粒大小為15-30毫米；對粉碎的木素纖維素生物質(zhì)進行蒸汽爆炸預處理，根據(jù)所用材料的類型保持1-3兆帕的壓力和190-23(TC的溫度l-10分鐘的時間，之后引發(fā)迅速減壓；收集預處理過的物料并且通過過濾分離液體和固體部分，將固體部分引入發(fā)酵貯器中；向發(fā)酵貯器添加濃度為15UFP/克纖維素的纖維素酶和12.6國際單位/克纖維素的P-葡萄糖苷酶；給發(fā)酵貯器接種馬克斯克魯維氏酵母CECT10875耐熱型酵母培養(yǎng)物的懸浮液；將混合物在42。C下?lián)u動72小時。采用上述方法均可實現(xiàn)由含纖維素原料制備單糖的目的，但單糖的產(chǎn)率較低，一般不超過35%。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的采用含纖維素原料制備單糖的方法制備得到的單糖的產(chǎn)率較低的缺陷，提供一種單糖產(chǎn)率較高的采用含纖維素原料制備單糖的方法。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)的由含纖維素原料制備燃料乙醇用單糖以及采用含纖維素原料制備燃料乙醇的方法中，含纖維素原料，如秸稈原料通常是以液漿的形式存在，在將漿液狀的全部秸稈原料直接與酶混合時，會降低酶的濃度，使酶活力下降。再者，在將經(jīng)過預處理的秸稈與酶混合酶解的方法通常為在酶解溫度下，將破碎的秸稈顆粒一次全部加入到酶與水的混合液中與酶液混合，進行酶解糖化反應，或者，先將所用反應物料——經(jīng)預處理的秸稈顆粒于反應罐中與水混合，然后在酶解溫度下，將酶直接加入到反應罐中反應。盡管上述混合是在攪拌條件下進行的，但是秸稈顆粒仍然不容易與酶混合均勻。因為，經(jīng)過預處理后的秸稈粒度變小，顆粒以及碎屑狀的秸稈顆粒很容易互相粘連和團聚，因此一次將全部秸稈完全與酶混合，僅有部分秸稈能與酶充分接觸，但是由于秸稈之間的粘連和團聚也會有部分秸稈不能充分與酶接觸，即使在攪拌下，也不能完全將秸稈打散。因此，酶解后纖維素轉(zhuǎn)化為糖的轉(zhuǎn)化率低，導致糖發(fā)酵得到的乙醇的產(chǎn)率也較低。因此，酶解后纖維素和/或半纖維素轉(zhuǎn)化為糖的糖轉(zhuǎn)化率較低。本發(fā)明提供了一種采用含纖維素原料制備單糖的方法，該方法包括將含纖維素原料與酶混合，將含纖維素原料酶解，得到酶解產(chǎn)物單糖，其中，所述將含纖維素原料與酶混合的方法包括將含纖維素原料分批與酶混合，所述分批次數(shù)至少為2次，每批加入的含纖維素原料的量至多為全部含纖維素原料重量的60%。本發(fā)明的方法通過將含纖維素原料分批與酶混合，使每批加入的含纖維素原料都能與酶混合均勻并充分接觸，并且在反應過程中，酶的濃度一直保持在較高的水平，因此，含纖維素原料能與酶充分反應，從而大大提高了含纖維素原料中纖維素和/或半纖維素的糖轉(zhuǎn)化率。例如，在其它的蒸汽爆破條件都相同的情況下，實施例1的單糖產(chǎn)率達41.41%，而對比例1的單糖產(chǎn)率僅為33.72%，提高幅度高達22.81%。具體實施例方式按照本發(fā)明，該方法包括將含纖維素原料與酶混合，將含纖維素原料酶解，得到酶解產(chǎn)物單糖，其中，所述將含纖維素原料與酶混合的方法包括將含纖維素原料分批與酶混合，所述分批次數(shù)至少為2次，每批加入的含纖維素原料的量至多為全部含纖維素原料重量的60%。優(yōu)選情況下，為了提高生產(chǎn)效率又同時能夠保證含纖維素原料與酶的充分混合、得到較高的含纖維素原料濃度以及較高水平的酶作用速度，第一批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-60%,更優(yōu)選為20-40%;第一批以后與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的40-80%，更優(yōu)選為60-80%。更優(yōu)選情況下，所述分批次數(shù)為3次，第一批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-60%，更優(yōu)選為20-40%;第二批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-50。％，更優(yōu)選為20-40%;第三批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-40%，更優(yōu)選為20-30%。為了保證酶具有最佳的反應活性，在將第一批含纖維素原料與酶混合前，調(diào)節(jié)含纖維素原料的pH值為大于3小于7，優(yōu)選為4-5.5，以使得含纖維素原料與酶混合后，酶具有最佳的反應活性。所述調(diào)節(jié)反應物料pH值的方法可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的各種方法。如根據(jù)所得含纖維素原料的pH值，在該含纖維素原料中加入酸性物質(zhì)或堿性物質(zhì)。例如，所述酸性物質(zhì)可以是硫酸、鹽酸和磷酸中的一種或幾種；所述堿性物質(zhì)可以是氫氧化鈉和/或氫氧化鉀。優(yōu)選情況下，所述相鄰的兩個分批混合步驟之間還包括時間間隔。為了使酶能充分水解含纖維素原料，提高糖的轉(zhuǎn)化率，所述時間間隔優(yōu)選為10-120分鐘，更優(yōu)選為30-60分鐘。為了使酶與反應原料混合的更均勻，所述含纖維素原料的酶解優(yōu)選在水存在條件下進行，更優(yōu)選在含有水與含纖維素原料的懸浮液中進行。也就是說，本發(fā)明優(yōu)選先將第一批含纖維素原料與水混合制備懸浮液后，再將酶解所需全部酶與懸浮液混合，然后再按照本發(fā)明的方法繼續(xù)分批加入含纖維素原料。對所加入的水的量沒有特別限定，優(yōu)選情況下，所述水的加入量與全部含纖維素原料的重量比為1-4:1。更優(yōu)選情況下，以第一批含纖維素原料與酶混合后得到的混合物為基準，以纖維素原料的干重計，含纖維素原料的含量至少為1重量％，優(yōu)選為1-20重量％，更優(yōu)選為1.2-10重量％。在現(xiàn)有的由含纖維素原料制備單糖的方法中，在酶解時，由于含纖維素原料的濃度太稀，因此，導致生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)效率低。而本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在酶解時控制第一批含纖維素原料與酶混合后得到的混合物中含纖維素原料的濃度，以第一批含纖維素原料與酶混合后得到的混合物為基準，以纖維素原料的干重計，使含纖維素原料的含量至少為1重量%，優(yōu)選為1-20重量％，更優(yōu)選為1.2-10重量％，既能夠保證酶解的周期短，同時保證具有高的生產(chǎn)效率，即單糖的產(chǎn)率高。由于本發(fā)明僅涉及對含纖維素原料加料方式的改進，因此對用含纖維素原料制備單糖的方法的其它步驟沒有特別的限制。所述酶解使用的酶包括纖維素酶。所述纖維素酶可以通過各種方式獲得，例如商購得到，或者通過使用產(chǎn)酶微生物分泌得到。由于使用產(chǎn)酶微生物分泌得到的酶會含有各種副產(chǎn)物，因此優(yōu)選直接加入酶。所述酶的用量越多越好，出于成本考慮，優(yōu)選以每克含纖維素原料的干重計，所述纖維素酶的用量為8-20酶活力單位，更優(yōu)選為10-15酶活力單位。本發(fā)明所述纖維素酶的酶活力按照美國國家可再生能源實驗室(NationalRenewableEnergyLaboratory,NREL)提供的標準方法——纖維素酶活力測定NRELLAP-006測定，所述纖維素酶的酶活力單位為在該標準方法規(guī)定的測定條件下，1分鐘內(nèi)將1克WhatmanNo.1濾紙轉(zhuǎn)化為葡萄糖所需酶的微克數(shù)。所述酶解的溫度可以為纖維素酶的任何最適作用溫度，一般為45-55°C，更優(yōu)選為48-52°C。所述酶解的時間理論上越長越好，考慮到設(shè)備利用率，優(yōu)選所述酶解的時間為25-48小時，更優(yōu)選為30-40小時。所述酶解時間從將酶與含纖維素原料混合時開始計算，因此，按照本發(fā)明，所述相鄰的兩個分批混合步驟之間的時間間隔也包括在所述酶解時間之內(nèi)。按照本發(fā)明的--個優(yōu)選的實施方式，所述將含纖維素原料酶解的方法包括先將第一批含纖維素原料與水混合后加入酶解罐中，調(diào)節(jié)含纖維素原料的PH值為大于3至小于7，并升溫至48-52t:以達到酶的最佳反應活性條件，然后，在攪拌下，向酶解罐中加入酶，攪拌30-60分鐘后，再加入第二批含纖維素原料，攪拌反應30-60分鐘后，加入第三批含纖維素原料。所述水的量與全部含纖維素原料的重量比為1-4:1所述第一批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-60%;第二批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-50%;第三批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-40%。所述纖維素酶為復合酶，至少包括C,型纖維素酶、Cx型纖維素酶和纖維二糖酶三種酶。C,酶可以使結(jié)晶的纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙Y(jié)晶的纖維素。Cx型纖維素酶又分為Cx,型纖維素酶和Cx2型纖維素酶兩種。Cx,型纖維素酶為內(nèi)切型纖維素酶，可以從水合非結(jié)晶纖維素分子內(nèi)部作用于卩-l,4-糖苷鍵，生成纖維糊精和纖維二糖。Cx2型纖維素酶是一種外切型纖維素酶，可以從水合非纖維素分子的非還原端作用于P-l，4-糖苷鍵，逐一切斷卩-l,4-糖苷鍵生成葡萄糖。纖維二糖酶則作用于纖維二糖，生成葡萄糖。優(yōu)選所述酶解使用的酶還包括半纖維素酶。因為半纖維素酶可以降解半纖維素成為溶于水的木糖，所以酶解使用的酶包括半纖維素酶，一方面可以更充分地暴露纖維素，增加纖維素與纖維素酶的接觸幾率，另一方面半纖維素降解產(chǎn)物木糖能夠被樹干畢赤酵母發(fā)酵生成乙醇，兩方面作用都可以增加乙醇產(chǎn)率。以每克含纖維素的原料的千重計，所述半纖維素酶的用量為4.4-8.8酶活力單位。本發(fā)明所述半纖維素酶的酶活力單位(U)為在5(TC、pH:4.8條件下，每分鐘分解濃度為1重量％木聚糖溶液產(chǎn)生1微克還原糖(以木糖計)所需的酶本發(fā)明所述半纖維素酶的活力指每克半纖維素酶所具有的活力單位。所述半纖維素酶的活力利用半纖維素酶在50°C、pH為4.8的條件下水解1重量Q/^木聚糖產(chǎn)生還原糖(以木糖計)，所得還原糖與過量3,5—二硝基水楊酸(DNS)發(fā)生顏色反應，用分光光度計測得反應液550納米的光吸收值與還原性糖(以木糖計)的生成量成正比關(guān)系測定。具體測定方法如下準確稱取1.000克木聚糖，用0.5毫升pH=4.8的0.1摩爾/升乙酸-乙酸鈉緩沖溶液溶解，然后用去離子水定容到IOO毫升，得到1重量％木聚糖溶液；稱取30克四水合酒石酸鉀鈉放入500毫升錐形瓶內(nèi)，加16克NaOH后，加50毫升去離子水，以5X:/分鐘的速度水浴加熱至固體物質(zhì)溶解，加入1克3,5—二硝基水楊酸，至溶解，冷卻至室溫，用去離子水定容至100毫升，可得3，5—二硝基水楊酸(DNS)溶液；將木糖8(TC烘干至恒重，準確稱取1.000克溶于1000毫升水中，加10毫克疊氮化鈉防腐，得到1毫克/毫升的標準木糖溶液；準確稱取1.000克固體半纖維素酶或移取1毫升液體半纖維素酶原液，用0.5毫升pH=4.8的0.1摩爾/升乙酸-乙酸鈉緩沖溶液溶解，然后用去離子水定容到100毫升，得到稀釋100倍的待測酶液；分別將在5(TC水浴加熱60分鐘的2毫升木糖梯度標準溶液(0.1毫克/毫升、0.2毫克/毫升、0.3毫克/毫升、0.4毫克/毫升和0..5毫克/毫升，所述木糖梯度標準溶液用去離子水與1毫克/毫升的標準木糖溶液混合制備)或去離子水(木糖空白對照)，與2毫升DNS混合沸水浴5分鐘，冷卻，去離子水定容15毫升后，用分光光度計在550納米下分別測定反應后木糖梯度標準溶液的光吸收值，以光吸收值為橫坐標，木糖濃度為縱坐標繪制標準曲線。由該標準曲線可得回歸方程y:bx+a，其中，x為光吸收值，y為木糖濃度，a為所得直線方程的截距，b為所得直線方程的斜率；取0.2毫升待測酶液與1.8毫升所述1重量％木聚糖溶液或pH=4.8的0.1摩爾/升乙酸-乙酸鈉緩沖溶液(木聚糖空白對照)，按照與上述木糖梯度標準溶液相同的步驟測試光吸收值。并按照下式計算半纖維素酶的活力半纖維織的活加("):5扁U鵬升)式中x為待測酶液的光吸收值，b和a與木糖濃度對光吸收值的回歸方程中的b和a—致，n為酶的稀釋倍數(shù)，60表示為酶促反應的時間為60分鐘，5為取樣倍數(shù)(這里從1毫升待測酶液中取出了0.2毫升進行測試)。根據(jù)上述方法可以測定出具體的半纖維素酶的活力，進而計算出半纖維素酶的用量。所述含纖維素原料可以是各種農(nóng)作物的秸稈、草本植物的莖桿等，如玉米秸稈、稻草、小麥秸稈、高粱稈等。由于秸稈的主要成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，為了在酶解時能使纖維素酶和半纖維素酶充分與秸稈中的纖維素和半纖維素接觸進行充分酶解，在酶解之前優(yōu)選還對含纖維素原料進行預處理以將纖維素、半纖維素和木質(zhì)素分離開。所述含纖維素原料的預處理方法可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方法，例如，酸處理方法和/或蒸汽爆破方法。所述酸處理方法包括將含纖維素原料與酸混合以溶解木質(zhì)素而使之與纖維素和半纖維素分離。所述用于溶解含纖維素原料中的木質(zhì)素的酸的種類為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，如所述酸可以是本領(lǐng)域常規(guī)的各種酸，如，選自硫酸、鹽酸和磷酸中的一種或幾種；所述酸的用量和濃度沒有特別限定，可以根據(jù)需要溶解的含纖維素原料中木質(zhì)素的量控制酸的用量和濃度。所述蒸汽爆破方法包括將含纖維素原料與水混合后進行蒸汽爆破或者直接將含纖維素原料置于蒸汽爆破裝置中進行蒸汽爆破。由于蒸汽爆破方法更有利于破壞含纖維素原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使纖維素能夠被充分分離出來，有利于纖維素酶在纖維素表面的作用，提高纖維素的酶解率及糖的產(chǎn)率。因此，本發(fā)明優(yōu)選所述含纖維素原料的預處理方法為蒸汽爆破方法，所述含纖維素原料優(yōu)選為蒸汽爆破的含纖維素原料和/或酸處理的含纖維素原料。采用現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)的蒸汽爆破條件進行的蒸汽爆破都能達到本發(fā)明的發(fā)明目的，例如，所述蒸汽爆破的溫度為180-200°C，所述蒸汽爆破的壓力為1.4-1.8兆帕，所述蒸汽爆破壓力的維持時間為3-7分鐘。更優(yōu)選所述蒸汽爆破的溫度為185-195°C，所述蒸汽爆破的壓力為1.4-1.6兆帕，所述蒸汽爆破壓力的維持時間為4-5分鐘。另外，蒸汽爆破的壓力和溫度可以滅菌，酸處理也能夠起到殺菌的作用。為防止在酶解過程中雜菌(主要是細菌)污染產(chǎn)生影響酶活力的毒素，優(yōu)選在酶解之前加入諸如工業(yè)青霉素的細菌抗生素。以每毫升酶解液為基準，所述抗生素的加入量為l-10單位。所述酶解液包括蒸汽爆破產(chǎn)物、酶以及水。由-—r在蒸汽爆破的高溫高壓條件下，含纖維素原料中的半纖維素會產(chǎn)生諸如糠醛、呋喃之類的抑制物，所述抑制物會降低酶的活力和發(fā)酵菌的活性，因此所述方法還包括在蒸汽爆破含纖維素原料之后，酶解得到的蒸汽爆破產(chǎn)物之前，水洗所述蒸汽爆破產(chǎn)物。所述水洗是將蒸汽爆破產(chǎn)物與水混合，攪拌，使上述抑制物溶解在水中，然后離心分離蒸汽爆破產(chǎn)物，從而從蒸汽爆破產(chǎn)物中除去抑制物。理論上所述水洗的溫度越高，能夠溶解的抑制物越多，考慮到能耗，優(yōu)選所述水洗的溫度至少為6(TC，更優(yōu)選為60-8(TC。由于水洗所加入的水越多，則溶解抑制物的溶劑越多，但是考慮到離心分離的能耗，優(yōu)選以每克含纖維素原料的干重計，所述水洗的加水量為2-10克，更優(yōu)選為2-3克。由于含纖維素原料中可能會含有沙石雜質(zhì)以及鐵雜質(zhì)，對蒸汽爆破設(shè)備會造成損害，因此本發(fā)明的制備單糖的方法，可以包括在蒸汽爆破之前對含纖維素原料進行除石除鐵常規(guī)操作，比如以"風送"含纖維素原料并磁鐵吸引的方法進行除石除鐵。沙石由于質(zhì)量大，不能被風送到蒸汽爆破設(shè)備中，鐵雜質(zhì)由于磁鐵的吸引也不會隨原料進入蒸汽爆破設(shè)備中，從而可以完成除石除鐵。此外，由于含纖維素原料本身容易纏結(jié)而堵塞設(shè)備管路，因此，在進入蒸汽爆破設(shè)備前，優(yōu)選使所述含纖維素原料的大小為0.5-3厘米x0.2-l厘米x0.2-l厘米，更優(yōu)選使所述含纖維素原料的大小為1-2厘米x0.4-0.6厘米x0.5-l厘米。酶解產(chǎn)物中的單糖可以通過制糖工業(yè)常用的方法分離精制。例如通過過濾、離心的方法將除去酶解產(chǎn)物中的固體物質(zhì)(例如未降解完的含纖維素的原料)。收集濾液或上清液，蒸發(fā)水分得到單糖的含量為60-65重量％的過飽和糖漿。在真空結(jié)晶罐中通過蒸發(fā)水分使單糖結(jié)晶析出，晶體與糖漿形成糖膏；當晶體體積符合要求時，將糖膏從真空結(jié)晶罐轉(zhuǎn)移至助晶機，逐漸降溫，使未結(jié)晶的單糖進一步析出。用離心機進行固液分離，即得成品結(jié)晶單糖與糖蜜。將糖蜜重復上述過程結(jié)晶2-4次，可以充分提取單糖。結(jié)晶過程可以采用自然起晶法、刺激起晶法和晶核起晶法起晶，優(yōu)選向糖漿中加入結(jié)晶用種糊作為晶種的晶核起晶法起晶。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行更詳細的說明。實施例1本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素原料制備單糖的方法。(1)含纖維素原料的預處理將1000克沒有雜質(zhì)的玉米秸稈(含水量10%)切成不超過1.2厘米X0.5厘米X1.0厘米的小段，在195。C下維持1.6兆帕的壓力5分鐘，然后泄壓，完成蒸汽爆破。將所得蒸汽爆破產(chǎn)物與70。C水按照質(zhì)量比1:3攪拌混合30分鐘，然后用LW400型臥螺離心機(張家港華大離心機制造有限公司)在900轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速下進行固液分離。共得到3000克水洗蒸汽爆破產(chǎn)物(含水量為70重量%)。所得固體蒸汽爆破產(chǎn)物中纖維素總重量和半纖維素總重量的測定取10克上述水洗蒸汽爆破產(chǎn)物在45'C下烘干至恒重3克，稱量300.0毫克該干燥后的蒸汽爆破產(chǎn)物，放置于重80克的IOO毫升干燥三角燒瓶內(nèi)。向所述三角燒瓶內(nèi)加入3.00毫升濃度為72重量％的硫酸溶液，攪拌1分鐘。然后將三角燒瓶在3(TC的水浴中放置60分鐘，每隔5分鐘攪拌一次以確保均勻水解。水解結(jié)束后，用去離子水使硫酸的濃度稀釋到4重量％，然后用布氏漏斗過濾，共得到濾液84毫升。將20毫升濾液轉(zhuǎn)移至干燥的50毫升的三角瓶中。使用2.5克碳酸鈣調(diào)節(jié)該濾液的pH值至5.5，靜置5小時，收集上層清液。用0.2微米濾膜過濾收集的上層清液，所得濾液用BioradAminexHPX-87P高效液相色譜(HPLC)分析。HPLC條件進樣量20微升；流動相為0.2微米濾膜過濾并且超聲振蕩脫氣的HPLC超純水；流速為0.6毫升/分鐘；柱溫80-85°C;檢測器溫度80-85°C;檢測器為折光率檢測器；運行時間為35分鐘。以0.1-4.0毫克/毫升濃度范圍的D-(+)葡萄糖和0.1-4.0毫克/毫升濃度范圍D-(+)木糖作為標準樣品。HPLC分析得到蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解液中葡萄糖濃度為1.6毫克/毫升，計算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解能得到重量為0.134克的葡萄糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將蒸汽爆破的產(chǎn)物的纖維素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是蒸汽爆破產(chǎn)物中纖維素重量的l.ll倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物中含纖維素0.121克，則3000克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含纖維素363克。HPLC分析得到蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解液中木糖濃度為0.4毫克/毫升，計算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解能得到重量為0.034克的木糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將蒸汽爆破的產(chǎn)物的半纖維素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是蒸汽爆破產(chǎn)物中半纖維素重量的1.14倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物中含半纖維素0.029克，則3000克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含半纖維素87克。(2)酶解向酶解罐中加入水，并在攪拌下，加入第一批步驟(1)取樣測試后剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第一批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為步驟(1)取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的35%，然后調(diào)節(jié)pH值為4，加熱至52'C后，以全部秸稈的干重計(900克)，加入18000酶活力單位的纖維素酶(和氏璧生物技術(shù)有限公司)，并在52。C下保溫混合30分鐘；然后加入第二批水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第二批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為步驟(1)取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的35%，并在52匸下保溫混合50分鐘；然后再加入第三批水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第三批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為步驟(1)取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的30%，并在52"C下保溫酶解40小時后得到酶解產(chǎn)物。所述水的加入量與全部水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物的重量比為2:1。將酶解產(chǎn)物用布氏漏斗過濾，將20毫升濾液轉(zhuǎn)移至干燥50毫升的三角瓶中，靜置5小時，收集上層清液。0.2微米濾膜過濾收集的上層清液，按照上述步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的葡萄糖共372.71克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共335.78克，按照下式計算纖維素轉(zhuǎn)化率和單糖產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。每小時酶解的纖維素的量為8.1克。(以含纖維素原料的干重計，第一批含纖維素原料的含量為4.5重量％。)纖維素轉(zhuǎn)化率=100%乂被酶解的纖維素的重量/纖維素的總重量單糖產(chǎn)率=100%乂酶解得到的葡萄糖的重量/秸稈干重對比例1本對比例說明采用含纖維素原料制備單糖的參比方法。按照實施例1的方法制備單糖，不同的是，在酶解步驟(2)中將步驟(1)取樣測試后剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物一次全部加入到含水的酶解罐中，然后與酶混合均勻(全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物與水的重量比為2:1)，酶解時間為41小時20分鐘。其他條件與實施例1相同。并按照實施例1中的公式和方法計算纖維素轉(zhuǎn)化率和單糖產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。實施例2本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素原料制備單糖的方法。按照實施例1的方法制備單糖，不同的是，在含纖維素原料的預處理步驟中，所述蒸汽爆破產(chǎn)物不經(jīng)過水洗；在酶解步驟中，將蒸汽爆破產(chǎn)物分三批與酶混合，第一批加入的蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產(chǎn)物重量的60%，在5(TC下保溫混合IOO分鐘；然后加入第二批蒸汽爆破產(chǎn)物，第二批加入的蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產(chǎn)物重量的20%，在50。C下保溫混合50分鐘；然后再加入第三批蒸汽爆破產(chǎn)物，第三批加入的蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產(chǎn)物重量的20%，在5(TC下保溫酶解42小時后得到酶解產(chǎn)物。按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的葡萄糖共366.75克，所述酶解得到的葡萄糖的重量除以1.11，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共330.41克，每小時酶解的纖維素的量為7.4克。并按照實施例1的方法和公式計算rf維素轉(zhuǎn)化率和單糖產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。(以含纖維素原料的干重計，第一批含纖維素原料的含量為6.9重量％。)實施例3本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素原料制備單糖的方法按照實施例1的方法制備單糖，不同的是，在酶解步驟中，將水洗蒸汽爆破產(chǎn)物分三批與酶混合，第一批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的20%，在52t:下保溫混合20分鐘；然后加入第二批水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第二批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的40%，在52i:下保溫混合40分鐘；然后再加入第三批水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第三批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的40%，在52。C下保溫酶解42小時后得到酶解產(chǎn)物。其它步驟和條件與實施例1相同。按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的葡萄糖共367.47克，所述酶解得到的葡萄糖的重量除以1.11，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共331.06克，每小時酶解的纖維素的量為7.7克。并按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉(zhuǎn)化率和單糖產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。(以含纖維素原料的干重計，第一批含纖維素原料的含量為2.7重量％。)實施例4本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素原料制備單糖的方法。按照實施例1的方法制備單糖，不同的是，在酶解步驟中，將水洗蒸汽爆破產(chǎn)物分三批與酶混合，第一批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的10%，在52"C下保溫混合IO分鐘；然后加入第二批水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第二批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的40%，在52"C下保溫混合50分鐘；然后再加入第三批水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第三批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的50%，在52tTF保溫酶解42小時后得到酶解產(chǎn)物。其它步驟和條件與實施例1相同。按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的葡萄糖共349.92克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共315.24克，每小時酶解的纖維素的量為7.3克。并按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉(zhuǎn)化率和單糖產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。(以含纖維素原料的干重計，第一批含纖維素原料的含量為0.8重量％。)實施例5本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素原料制備單糖的方法。(1)含纖維素原料的預處理將1000克沒有雜質(zhì)的玉米秸稈(含水量10%)切成不超過1.5厘米X0.4厘米X1.0厘米的小段，將秸稈段水浸5分鐘后(秸稈與水的重量比為2.5:1)在19(TC下維持1.5兆帕的壓力5分鐘，然后泄壓，完成蒸汽爆破。將所得蒸汽爆破產(chǎn)物與65'C水按照質(zhì)量比1:3攪拌混合30分鐘，然后用LW400型臥螺離心機(張家港華大離心機制造有限公司)在900轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速下進行固液分離。共得到3250克蒸汽爆破產(chǎn)物(含水量為72.3重量％)。按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解蒸汽爆破產(chǎn)物的方法，得到蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解液中葡萄糖濃度為1.62毫克/毫升，計算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解能得到重量為0.136克的葡萄糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將蒸汽爆破的產(chǎn)物的纖維素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是蒸汽爆破產(chǎn)物中纖維素重量的1.11倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物中含纖維素0.123克，則3250克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含纖維素399.75克。HPLC分析得到蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解液中木糖濃度為0.41毫克/毫升，計算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解能得到重量為0.034克的木糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將蒸汽爆破的產(chǎn)物的半纖維素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是蒸汽爆破產(chǎn)物中半纖維素重量的1.14倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物中含半纖維素0.030克，則3250克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含半纖維素97.5克。(2)酶解向酶解罐中加入水，并在攪拌下，加入第一批步驟(O取樣測試后剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第一批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為步驟(1)取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的60%，然后調(diào)節(jié)反應物料的pH值為5，并加熱至5(TC后，以全部秸稈的干重計(900克)，加入15000酶活力單位的纖維素酶(和氏璧生物技術(shù)有限公司)和4500酶活力單位的半纖維素酶(北京化學試劑公司)，并保溫混合80分鐘；然后加入第二批水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第二批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為步驟(O取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的40%，保溫酶解42小時后得到酶解產(chǎn)物。并按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的葡萄糖共369克，所述酶解得到的葡萄糖的重量除以1.11，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共332.43克，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的木糖共78.14克，所述酶解得到的木糖的重量除以1.14，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被酶解的半纖維素的重量共68.54克，每小時酶解的纖維素和半纖維素的總重量為9.26克。并按照下述公式計算纖維素、半纖維素轉(zhuǎn)化率和單糖產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。(以含纖維素原料的千重計，第一批含纖維素原料的含量為6.4重量％。)纖維素轉(zhuǎn)化率=100%乂被酶解的纖維素的重量/纖維素的總重量半纖維素轉(zhuǎn)化率=100°/^被酶解的半纖維素的重量/半纖維素的總重量單糖產(chǎn)率=100%乂(酶解得到的葡萄糖重量+酶解得到的木糖重量)/秸稈干重實施例6本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素原料制備單糖的方法。按照實施例1的方法制備單糖，不同的是，在含纖維素原料的預處理步驟中，采用酸處理含纖維素原料，該方法包括，在14(TC，0.06兆帕壓力下，將IOOO克玉米秸稈(含水量為10重量％)，與250毫升濃度為2重量％的稀硫酸保溫混合40分鐘，得到酸處理產(chǎn)物。將所得酸處理產(chǎn)物過濾，并與水按照質(zhì)量比h3攪拌混合30分鐘，然后用LW400型臥螺離心機(張家港華大離心機制造有限公司)在900轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下進行固液分離。共得到3600克酸處理含纖維素原料產(chǎn)物(含水量為75重量％)。按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解蒸汽爆破產(chǎn)物的方法，得到酸處理產(chǎn)物酸水解液中葡萄糖濃度為1.8毫克/毫升，計算可得1克所述水洗后的酸處理產(chǎn)物酸水解能得到重量為0.126克的葡萄糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將酸處理產(chǎn)物中的纖維素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是酸處理產(chǎn)物中纖維素重量的1.11倍，即1克所述水洗后酸處理產(chǎn)物中含纖維素0.114克，則3600克酸處理產(chǎn)物中共含纖維素408.65克。HPLC分析得到酸處理產(chǎn)物酸水解液中木糖濃度為0.8毫克/毫升，計算可得1克所述水洗后酸處理產(chǎn)物酸水解能得到重量為0.057克的木糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將酸處理產(chǎn)物的半纖維素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是酸處理產(chǎn)物中半纖維素重量的1.14倍，即1克所述水洗后酸處理產(chǎn)物中含半纖維素0.050克，則3600克酸處理產(chǎn)物中共含半纖維素181.62克。在酶解步驟中，不同的是，在向含有水的酶解罐中加入第一批步驟(1)取樣測試后剩余的酸處理產(chǎn)物后，加入NaOH調(diào)節(jié)物料的pH值為5，加熱至52。C后，以全部秸稈的干重計(900克)，加入18000酶活力單位的纖維素酶(和氏璧生物技術(shù)有限公司)，并在49'C下保溫混合30分鐘；然后再按照實施例l的酶解步驟中的方法分批加入隨后的物料，其它的步驟和條件與實施例1的方法相同。按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的葡萄糖共362.88克，所述酶解得到的葡萄糖的重量除以1.11，即酸處理產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共326.92克，每小時酶解的纖維素的量為7.9克。并按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉(zhuǎn)化率和單糖產(chǎn)率，計算結(jié)果見表1。(以含纖維素原料的干重計，第一批含纖維素原料的含量為3.7重量％。)表1<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>從—h表l巾的數(shù)據(jù)可以看出，采用本發(fā)明的由含纖維素原料制備單糖的方法得到的單糖的產(chǎn)率明顯高于由參比方法制備得到的單糖的產(chǎn)率。權(quán)利要求1、一種采用含纖維素原料制備單糖的方法，該方法包括將含纖維素原料與酶混合，將含纖維素原料酶解，得到酶解產(chǎn)物單糖，其特征在于，所述將含纖維素原料與酶混合的方法包括將含纖維素原料分批與酶混合，所述分批次數(shù)至少為2次，每批加入的含纖維素原料的量至多為全部含纖維素原料重量的60％。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-60%，第一批以后與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的40-80%。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述分批次數(shù)為3次，第一批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-60%;第二批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-50%;第三批與酶混合的含纖維素原料的量為全部含纖維素原料重量的20-40%。4、根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，以第一批含纖維素原料與酶混合后得到的混合物為基準，以含纖維素原料的干重計，所述含纖維素原料的含量至少為1重量％。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，以第一批含纖維素原料與酶混合后得到的混合物為基準，以含纖維素原料的干重計，所述含纖維素原料的含量為1.2-10重量％。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，相鄰的兩個分批混合歩驟之間還包括時間間隔。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述時間間隔為10-120分鐘。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述酶解使用的酶包括纖維素酶，以每克含纖維素原料的干重計，所述纖維素酶的用量為8-20酶活力單位；所述酶解的溫度為45-55'C，所述酶解的時間為25-48小時，所述酶解的pH值為3.0-7.0。9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述酶解使用的酶還包括半纖維素酶，以每克含纖維素原料的干重計，所述半纖維素酶的用量為4.4-8.8酶活力單位。10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，含纖維素原料為蒸汽爆破的含纖維素原料和/或酸處理的含纖維素原料。11、根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的方法，其中，所述含纖維素原料為秸稈。全文摘要一種采用含纖維素原料制備單糖的方法，該方法包括將含纖維素原料與酶混合，將含纖維素原料酶解，得到酶解產(chǎn)物單糖，其中，所述將含纖維素原料與酶混合的方法包括將含纖維素原料分批與酶混合，所述分批次數(shù)至少為2次，每批加入的含纖維素原料的量至多為全部含纖維素原料重量的60％。本發(fā)明的方法制備得到的單糖的產(chǎn)率較高。文檔編號C12P19/02GK101289683SQ20071009856公開日2008年10月22日申請日期2007年4月20日優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日發(fā)明者于天楊,劉甲申,孫長征,岳國君,王國忠,袁敬偉申請人:中糧集團有限公司